基于數(shù)值模擬的空調(diào)末端節(jié)能優(yōu)化*

閆軍威 劉洋 周璇 康英姿

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

隨著近年來公共建筑的日益增多，公共建筑所帶來的能耗問題也引起了各方面的重視，據(jù)統(tǒng)計，我國大型公共建筑總能耗占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，其單位面積年耗電量達(dá)到100～300kW·h［1］.空調(diào)系統(tǒng)的能耗在公共建筑總能耗中占了40% ～60%［2］，而空調(diào)末端能耗占中央空調(diào)總能耗的20%～30%.末端能耗過高主要是由于空調(diào)末端設(shè)備按最不利工況設(shè)計，其額定工況下的制冷能力絕大部分時間遠(yuǎn)大于房間實際冷量需求.空調(diào)末端設(shè)備的運行參數(shù)往往被設(shè)定為最大，使得空調(diào)房間存在著溫度過低的現(xiàn)象.這樣，不但室內(nèi)的熱舒適性較差，而且過多的冷量也造成了能源的浪費.因此，在滿足空調(diào)房間舒適性的前提下，研究空調(diào)末端設(shè)備節(jié)能運行參數(shù)，對于末端設(shè)備節(jié)能具有重要意義.

利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬方法具有省時、成本低、結(jié)果可視化等特點，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)氣流組織分析、室內(nèi)環(huán)境熱舒適性分析等領(lǐng)域，國內(nèi)外已有許多學(xué)者利用CFD技術(shù)對室內(nèi)的熱舒適性開展了研究.陳曦［3］通過CFD技術(shù)模擬了某辦公室在冬季空調(diào)供熱時的熱舒適性和細(xì)菌的傳播.薛若軍等［4］通過CFD技術(shù)確定了某空調(diào)供冷房間的熱舒適性程度.但是，利用CFD技術(shù)在保證室內(nèi)熱舒適性的前提下，確定室內(nèi)送風(fēng)參數(shù)以達(dá)到空調(diào)房間末端節(jié)能的研究并不多.

文中利用暖通空調(diào)領(lǐng)域廣泛采用的AIRPAK3.0數(shù)值模擬軟件，分析了送風(fēng)參數(shù)對典型辦公房間室內(nèi)溫度場和速度場分布的影響，并結(jié)合軟件中的熱舒適性模塊分析了不同的送風(fēng)參數(shù)對室內(nèi)熱舒適性的影響程度;在滿足房間熱舒適性的前提下，研究了辦公建筑空調(diào)末端設(shè)備的最佳送風(fēng)參數(shù);同時，將優(yōu)化后的末端工況與一天內(nèi)實際運行工況進(jìn)行了對比.

1 邊界條件和模型的建立

1.1 物理模型

1.1.1 模型尺寸和熱工參數(shù)的確定

實驗時間為8月下旬某日，當(dāng)日天氣晴朗，所研究的辦公室位于廣州大學(xué)城某高校一辦公樓四層，外窗朝東，南北兩側(cè)房間均為空調(diào)供冷區(qū)域，辦公樓整體為磚混結(jié)構(gòu)，外墻表面有淺色飾面磚，東向無高大建筑遮擋.房間尺寸為7.78m×5.4m×2.6m，忽略外墻外表面空氣流速變化對外墻傳熱系數(shù)的影響，筆者估算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為1.53W/(m2·K)［5］，天花和地面近似為絕熱.

室內(nèi)熱源、墻體及外窗尺寸如表1和2所示.

表1 室內(nèi)熱源Table 1 Indoor heat source

表2 墻體和外窗尺寸Table 2 Size of walls and window

由于風(fēng)口模型對室內(nèi)氣流組織的模擬結(jié)果具有較大的影響，送風(fēng)口模型采用文獻(xiàn)［6］中的方形散流器九點風(fēng)口模型［6］，將送風(fēng)口分為9個部分，并分別設(shè)定各部分的速度矢量值.實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選擇該模型的計算結(jié)果與實際的入口邊界條件較接近［7］.模型的等效圖如圖1所示，建立好的模型如圖2所示.

圖1 方形散流器九點風(fēng)口模型Fig.1 9-point supply opening model of square diffuser

圖2 辦公室的幾何模型Fig.2 Geometric model of the office

1.1.2 太陽輻射的簡化模型

由于房間不在頂層，內(nèi)墻和天花不受太陽直接照射，且房間上方和南北兩側(cè)也為空調(diào)房間，因此，筆者忽略了太陽輻射對于內(nèi)墻和天花的影響.同時，引入室外空氣綜合溫度，將太陽輻射加載在外墻上［5］，計算得到室外空氣綜合溫度.模擬時近似地認(rèn)為透過窗戶的太陽輻射使地板吸熱升溫，并以熱流的形式作用于房間［8］.將玻璃窗吸收的太陽輻射以定溫邊界條件加載在玻璃窗上.AIRPAK3.0軟件利用ASHARE晴天輻射模型計算的東向太陽輻射值和近似的地板平均熱流如表3所示.

表3 不同時刻東向太陽輻射計算值1)Table 3 Calculated values of solar radiatlon in east direction at specific moments

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本假設(shè)

為了使問題得到簡化，提出以下假設(shè)［9］:(1)室內(nèi)空氣低速流動，可視為不可壓縮流體;(2)室內(nèi)空氣為不可壓縮粘性流體且滿足Boussinesq假設(shè)，即由于室內(nèi)空氣流動密度變化不大，密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響;(3)門窗處于關(guān)閉狀態(tài)且氣密性良好;(4)忽略人員在室內(nèi)走動所造成的影響.

1.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

由于所做的房間模型相對簡單，筆者在連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等控制方程［10］的基礎(chǔ)上，引入Chen等［11］提出的改進(jìn)的Indoor零方程模型以達(dá)到微分方程的封閉求解.通過比較發(fā)現(xiàn)室內(nèi)零方程湍流模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得較好［12］，且可以較快獲得收斂解.

控制方程通用形式:

湍流模型:

式中:u為速度矢量;φ為通用變量;Γ為廣義擴散系數(shù);S為廣義源項;ρ為空氣密度，kg/m3;μt為湍流粘性系數(shù);v為風(fēng)速，m/s;l為湍流脈動長度，m.

1.3 網(wǎng)格劃分

采用AIRPAK3.0軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，由于房間結(jié)構(gòu)比較簡單，故采用長方體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格加密后共生成331826個節(jié)點、52254個獨立單元.

2 現(xiàn)場實測

2.1 實驗設(shè)備

實驗中利用A543熱線式風(fēng)速儀測量各計算時刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外圍的空氣溫度、室內(nèi)風(fēng)速、室內(nèi)溫度、室內(nèi)空氣相對濕度.其風(fēng)速的測量范圍為0.05～5.00m/s，精度為0.01 m/s;溫度的測量范圍為0～60℃，精度為0.1℃;相對濕度的測量范圍為2%～98%，精度為0.1%.利用Fluke59紅外測溫儀測量各計算時刻內(nèi)墻內(nèi)表面溫度、外窗內(nèi)表面溫度，測量范圍為－18～275℃，精度為0.2℃，誤差±2%.

2.2 數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性驗證

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在上午8:30，散流器頸部平均風(fēng)速為3.2m/s，送風(fēng)溫度在16℃，送風(fēng)相對濕度85.85%時，測量了各職員頭部上方0.2m高度處的溫度和風(fēng)速，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果如表4所示.

表4 模擬結(jié)果與實測值的對比Table 4 Comparison between actual and simulatied values

由表4可見，職員7位置溫度的模擬值與實測值偏差稍大，這主要與太陽輻射在模擬時的簡化模型有關(guān).總體來看，風(fēng)速和溫度的模擬值相對于實測值的偏差較小，能夠反映房間內(nèi)的實際氣流組織情況.

3 數(shù)值模擬

由前文對比可知，模擬值在一定程度上能夠反映真實值.在此基礎(chǔ)上，筆者分別在各計算時刻(9:30、10:30、11:30、14:30、15:30、16:30、17:30)選取送風(fēng)溫度分別為16、17、18、19℃，散流器頸部平均風(fēng)速分別為2.0，2.5，3.0 m/s，送風(fēng)含濕量為10.5g/kg進(jìn)行模擬，得到不同條件下的12組參數(shù)，以確定不同送風(fēng)條件下的室內(nèi)熱舒適性和氣流組織情況.各時刻維護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)空氣溫度、內(nèi)墻內(nèi)表面平均溫度、玻璃內(nèi)表面溫度的測量值和室外空氣綜合溫度的計算值如圖3所示.

圖3 不同時刻溫度邊界條件的計算值和測量值Fig.3 Calculated and measured valuesoftemperature boundary conditions at different moments

4 結(jié)果分析

4.1 送風(fēng)參數(shù)變化對空調(diào)房間舒適性的影響

根據(jù)Fanger的熱舒適性理論［13］，人處于室內(nèi)時，考慮到人體的新陳代謝以及外界綜合因素的影響，可以用熱舒適性評價指標(biāo)PMV來衡量人體的熱舒適程度.其綜合考慮了人體活動情況、衣著情況、空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度6個因素對于人體熱舒適性的影響.計算公式如式(3)所示:

式中:M為人體新陳代謝率，W/m2;H=M－W，W為人體所做的機械功，W/m2;pa為水蒸氣分壓力，kPa;fcl為穿衣面積系數(shù);Tcl為衣服外表面溫度，K;Tr為平均輻射溫度，K;Ta為人體周圍環(huán)境溫度，K;hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K).

根據(jù) ISO7730:1994中的推薦指標(biāo)［14］，選擇－0.5＜PMV＜0.5作為室內(nèi)熱舒適性的參考區(qū)間，并以此作為評價室內(nèi)熱舒適性的依據(jù).其中人員為夏季著裝，穿衣面積系數(shù)取為0.8;人員為靜坐狀態(tài)，對外做功為0 W/m2;辦公室人員新陳代謝率為69.8W/m2;其他參數(shù)可通過軟件中的熱舒適性模塊計算得到.

比較發(fā)現(xiàn)，兩種送風(fēng)參數(shù)相差最大的條件下，工作區(qū)域的相對濕度相差1.9%，且當(dāng)人體靜坐時，濕度對于人體的熱舒適性影響較小［15-16］，故在分析時，忽略濕度差別對熱舒適性產(chǎn)生的影響.

對上午10:30時各送風(fēng)條件下的室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行模擬計算，得人員工作區(qū)域(各隔斷內(nèi))的PMV平均值如圖4所示.

圖4 送風(fēng)參數(shù)與PMV的關(guān)系Fig.4 Relationship between air supply parameters and PMV

對圖4分析可知，送風(fēng)速度與送風(fēng)溫度對室內(nèi)熱舒適性均有一定的影響，且影響程度不同.當(dāng)送風(fēng)含濕量為10.5g/kg，送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的搭配分別為16℃、2.5 m/s，16℃、3.0 m/s，17℃、3.0 m/s時，室內(nèi)的熱舒適性能夠滿足ISO7730:1994中的推薦指標(biāo)－0.5＜PMV＜0.5，且較接近PMV=0.5的臨界值.因此，取上述的3種情況進(jìn)行具體分析，3種送風(fēng)條件下人體呼吸高度的空氣齡圖如圖5所示.

3種工況下工作區(qū)域各參數(shù)平均值如表5所示.由表5可知，在上述3種工況下，人體的頭腳溫差均未超過3℃，滿足舒適性要求.人體頭部高度的平均風(fēng)速均滿足《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中舒適性空調(diào)夏季風(fēng)速小于0.3 m/s的規(guī)定.當(dāng)送風(fēng)溫度為17℃時，冷凍供水溫度較高，且3.0m/s的送風(fēng)速度使空氣齡最小.因此可以認(rèn)為送風(fēng)溫度17℃.散流器頸部平均風(fēng)速3.0 m/s、送風(fēng)含濕量10.5g/kg，為滿足室內(nèi)熱舒適性的最佳工況.

圖5 不同送風(fēng)參數(shù)下的空氣齡圖Fig.5 Mean age of air contours under different air supply parameters

表5 3種不同工況下室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的模擬結(jié)果Table 5 Simulation results of indoor environment parameters under three different conditions

4.2 送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化節(jié)能效果分析

4.2.1 各時刻最優(yōu)送風(fēng)參數(shù)的選取

按照相同的方法，筆者通過數(shù)值模擬的方式分別確定該辦公類建筑在上班時間各時刻送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對室內(nèi)熱舒適性的影響，并給出了最適合的送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度.各邊界條件按照圖3和表3所示，確定的最佳送風(fēng)參數(shù)如表6所示.

表6 送風(fēng)參數(shù)的優(yōu)化組合Table 6 Optimum combination of air supply parameters

同時，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)室內(nèi)實際人數(shù)為4～8人時，在表6提供的的最優(yōu)送風(fēng)參數(shù)下，PMV仍介于－0.5至0.5之間，即室內(nèi)實際人數(shù)與設(shè)計人數(shù)偏差較小時，計算得到的優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)仍能滿足室內(nèi)的熱舒適性要求.

4.2.2 節(jié)能效果分析

對于風(fēng)機盤管而言，其表冷器的制冷量可由下式計算:

式中:Q為風(fēng)機盤管制冷量，kW;G為空氣的質(zhì)量流量，kg/h;h1、h2為進(jìn)、出表冷器的空氣焓值，kJ/kg.

為了計算風(fēng)機盤管在全天各時刻的制冷量，并與優(yōu)化工況下的理論制冷量進(jìn)行對比，筆者從上午9:30開始每隔一小時測量一次送風(fēng)口和回風(fēng)口的空氣溫度、相對濕度，并根據(jù)式(4)計算出風(fēng)機盤管實際制冷量，結(jié)果如表7所示，按優(yōu)化工況模擬時的風(fēng)機盤管制冷量如表8所示.

表7 未進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時的風(fēng)機盤管制冷量Table 7 Cooling capacity of fan-coil unit based on un-optimized parameters

表8 按模擬結(jié)果優(yōu)化參數(shù)時的風(fēng)機盤管制冷量Table 8 Cooling capacity of fan-coil unit based on optimum parameters according to simulation results

分析可知，在不進(jìn)行優(yōu)化時，全天部分時刻風(fēng)機盤管回風(fēng)溫度明顯偏低，風(fēng)機盤管制冷量較高，而根據(jù)房間冷負(fù)荷的變化規(guī)律和模擬結(jié)果合理調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)可節(jié)省17%的風(fēng)機盤管制冷量，對于空調(diào)末端節(jié)能具有一定的參考價值.

5 結(jié)語

文中利用AIRPAK3.0數(shù)值模擬軟件，采用室內(nèi)零方程湍流模型，對文中建立的辦公室物理模型在空調(diào)末端供冷條件下的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬;以PMV為指標(biāo)衡量人體的熱舒適程度，研究了空調(diào)末端送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對于熱舒適性的影響;對一天內(nèi)各典型時刻的送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出了各典型時刻在滿足熱舒適性條件下的送風(fēng)參數(shù)的最優(yōu)組合.優(yōu)化后的末端工況與實際末端工況的對比結(jié)果顯示，空調(diào)末端的節(jié)能空間較大;優(yōu)化后的送風(fēng)參數(shù)在全天內(nèi)有較大波動，根據(jù)外界環(huán)境合理優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)對空調(diào)末端節(jié)能有一定的指導(dǎo)意義.

［1］ 李召潑，張小松，吳智深.大型公共建筑中央空調(diào)的節(jié)能與監(jiān)控［J］.建筑節(jié)能，2010，38(3):62-65.Li Zhao-po，Zhang Xiao-song，Wu Zhi-shen.Energy-saving and control of central HVAC in large public buildings［J］.Building Energy Efficiency，2010，38(3):62-65.

［2］ 陳玉遠(yuǎn).中央空調(diào)冷源與水系統(tǒng)的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，2006.

［3］ 陳曦.辦公室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)對舒適度及細(xì)菌傳播的影響［J］.暖通空調(diào)，2006，36(11):113-116.Chen Xi.Influence of HVAC system on indoor comfort and bacteria spread in an office building［J］.Heating Ventilating＆Air Conditioning，2006，36(11):113-116.

［4］ 薛若軍，王革，方磊.空調(diào)房間內(nèi)熱舒適度的數(shù)值模擬［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37(8):1145-1147.Xue Ruo-jun，Wang Ge，F(xiàn)ang Lei.Numerical simulation of thermal comfort degree in air-conditioning room［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2005，37(8): 1145-1147.

［5］ 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:216-250.

［6］ 李先庭，趙彬.室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:78-79.

［7］ 趙彬，李先庭，彥啟森.方形散流器空調(diào)室內(nèi)空氣流動的數(shù)值模擬［J］.力學(xué)與實踐，2002，24(5):25-27.Zhao Bin，Li Xian-ting，Yan Qi-sen.Numerical simulation of air distribution inside a room air-conditioned by a square diffuser［J］.Mechanics and Engineering，2002，24 (5):25-27.

［8］ 王磊，龔波，余南陽.自然通風(fēng)熱舒適性［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，41(12):254-258.Wang Lei，Gong Bo，Yu Nan-yang.The research of the thermal comfort in natural ventilation buildings［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2009，41(12):254-258.

［9］ 帕斯卡S V.傳熱與流體的數(shù)值計算［M］.張正，譯.北京:科學(xué)出版社，1984:13-18.

［10］ 王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:7-12.

［11］ Chen Q，Xu W.A zero equation turbulence model for indoor air flow simulation［J］.Energy and Buildings，1998，28(2):137-144.

［12］ 趙彬，李先庭，彥啟森.用零方程湍流模型模擬通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的空氣流動［J］.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2000，41(10):109-113.Zhao Bin，Li Xian-ting，Yan Qi-sen.Simulation of indoor air flow in ventilated room by zeroequation turbulence model［J］.Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2000，41(10):109-113.

［13］ Fanger P O.Thermal comfort［M］.New York:Robert Ekrieger Pnblish Company，1982.

［14］ ISO7730:1994，Moderate thermal environments-determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort［S］.

［15］ Tanabe S，Kimura K.Effects of air temperature，humidity and air movement on thermal comfort under hot and humid conditions［J］.ASHRAE Transactions，1994，100 (2):953-967.

［16］ Marc E Fountain，Edward Arens，Xu Teng-fang.An investigation of thermal comfort at high humidities［J］.ASHRAE Transactions，1999，105(2):94-103.